一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。     

车辆-桥梁耦合作用分析

文章通过拉氏方程，在时变动力学的基础上，建立车-桥耦合振动的系统方程。重点探讨了车的质量、车速、刚度、阻尼比、桥跨、桥的阻尼比，桥面粗糙程度等参数在车．桥耦合振动中的作用。其中车速、车的刚度、桥的形式、桥的阻尼起着重要作用。文中还比较了把车辆分别模拟为移动力、移动刚体、移动的弹性体时车．桥互相作用力的差别，得出有必要将车辆模拟为移动的弹性体，以减小分析高速车辆所引起的互相作用力的误差。并考虑了车-桥耦合振动中行驶车辆的转动效应，虽然它的影响是很小的；还尝试性的讨论了桥上行车舒适度的问题，车的阻尼起着很重要的作用。     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型，分析轨下支承 失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko 梁，通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨 横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕 滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统 激振模式，考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦 合动力学系统运动方程，由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响 应. 结果表明，轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响，随着失效轨下支承个 数的增加，轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大，将加速失效区段线路 状况的恶化.     

基于小波有限元的车辆-轨道-桥梁系统竖向振动分析

基于小波有限元建立了车辆-轨道-桥梁系统竖向运动方程。将车辆、轨道和桥梁作为一个整体系统，钢轨和桥梁采用区间B样条小波单元离散，钢轨与桥梁之间的钢轨基础采用均布的弹簧和阻尼模拟，采用虚功原理建立了基于小波有限元的四轴车辆-轨道-桥梁竖向振动分析模型。结果表明，采用区间B样条小波单元可较大程度上减小系统的自由度数，缩减计算量，节省计算时间。     

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

侧风对大跨度城轨斜拉桥车-桥耦合振动的影响及其对策研究

对于城轨斜拉桥的车-桥系统,城轨车辆的气动特性和动力特性不同于普通铁路车辆,而其主梁尺寸和刚度也不同于普通铁路桥梁。考虑到不同类型桥梁和车辆的组合,抗风行车准则也不同,本文针对大跨度城轨斜拉桥,采用风洞试验获取列车与桥梁主梁气动力系数并建立风-车-桥系统耦合振动方程,研究了强侧风对城轨专用斜拉桥车-桥耦合振动的影响并提出了相应的防风对策。结果表明:在强侧风环境下城轨车辆所受侧向风荷载通过轮轨接触间接作用在桥梁上,会对桥梁动力响应产生较大影响;当桥面平均风速低于30m/s时,可以通过降低车速来保证城轨车辆过桥时的行车安全;但当桥面平均风速高于30m/s时,需要在桥面设置风屏障来保证行车安全。     

列车-桥梁耦合振动研究综述

针对列车-桥梁耦合振动问题,从模型分类与建立、轮轨接触、数值计算、工程应用等4个方面综述了20世纪60年代至今,特别是近20年以来的研究进展,总结了已经取得的成就与结论.并指出建立更加精细合理、运算效率高的列车-桥梁耦合振动模型,综合考虑整个体系中的各种因素,更系统地分析车、桥相互作用的影响关系,将成为列车-桥梁耦合振动研究的必然趋势.     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

考虑轨道不平顺的车-桥动力分析

考虑轨道不平顺，采用整体车辆和桥梁组合的计算模型。对高架轨道进行车-桥动力分析。对给定的功率谱密度函数，构造等效的频谱幅值和随机相位后再作Fourier逆变换来模拟轨道不平顺，结果表明新方法比通常的三角级数法更为有效，对于轨道平顺及不平顺两种情况，针对两种车速计算车体和桥梁的动力反应。结果表明，轨道不平顺以及车速提高对桥梁跨中位移的影响较小，但对桥梁跨中加速度的影响较大而且高频反应明显增大。轨道不平顺对车体振动的影响较大，振动的幅值和频率都大大提高，车速增大时，尽管车体加速度反应明显增大，但是其位移则变化不大。同时，采用模拟与实测两种不平顺样本的计算结果表明，本文采用功率谱密度函数的模拟方法可以基本反映轨道的实际不平顺情况。     

车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁系统随机振动分析

视车辆、路面体系和桥梁为整个系统,将车辆模拟成弹簧和阻尼器连接的多刚体,沥青路面层模拟成Kelvin模型支承的无限长梁,混凝土路面和主梁一起模拟成Euler-Bernoulli梁。应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了系统的竖向运动方程;并运用协方差等效方法模拟了车轮随机输入非平稳时域模型。研究了车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁耦合系统的振动特性。计算表明:在其他条件相同时,刹车时,混凝土路面层对应的冲击系数为沥青路面层所对应系数的1.31倍;刹车时间为0.3 s时对应的冲击系数为刹车时间0.6 s所对应的1.29倍;路面的不平状况加剧了车辆制动作用时对桥梁冲击系数的影响。     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。     

Track dynamic behavior at rail welds at high speed

As a vehicle passing through a track with different weld irregularities, the dynamic performance of track com- ponents is investigated in detail by using a coupled vehi- cle-track model. In the model, the vehicle is modeled as a multi-body system with 35 degrees of freedom, and a Timoshenko beam is used to model the rails which are dis- cretely supported by sleepers. In the track model, the sleepers are modeled as rigid bodies accounting for their vertical, lat- eral and rolling motions and assumed to move backward at a constant speed to simulate the vehicle running along the track at the same speed. In the study of the coupled vehicle and track dynamics, the Hertizian contact theory and the theory proposed by Shen-Hedrick-Elkins are, respectively, used to calculate normal and creep forces between the wheel and the rails. In the calculation of the normal forces, the coefficient of the normal contact stiffness is determined by transient contact condition of the wheel and rail surface. In the calcu- lation of the creepages, the lateral, roll-over motions of the rail and the fact that the relative velocity between the wheel and rail in their common normal direction is equal to zero are simultaneously taken into account. The motion equations of the vehicle and track are solved by means of an explicit integration method, in which the rail weld irregularities are modeled as local track vertical deviations described by some ideal cosine functions. The effects of the train speed, the axle load, the wavelength and depth of the irregularities, and the weld center position in a sleeper span on the wheel-rail impact loading are analyzed. The numerical results obtained are greatly useful in the tolerance design of welded rail pro- file irregularity caused by hand-grinding after rail welding and track maintenances.     

桥梁表面不平顺对车-桥耦合振动系统动力效应的影响

利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法,考虑桥面不平顺产生的随机激励,以简支梁桥为对象,计算了四自由度模型车辆-桥梁耦合系统的动力效应,讨论了不同等级桥面平整度情况下桥梁冲击系数、车辆垂直加速度、车轮对桥的作用力的变化规律。结果表明,随着不平整度系数逐渐增大,冲击系数逐渐增大;平整度较差等级的桥面,车辆垂直加速度较大,车轮对桥的作用力也较大。     

铁路轮轨冲击振动模拟与试验

对铁路工程领域普遍存在的轮冲击振动现象进行了理论与试验研究。将车辆模拟为移动的多刚体振动系统,将轨道描述成离散点支承连续梁结构,应用快速数值 发方法编制了ＶＩＣＴ模拟软件,实现了轮轨冲击振动的快速数值模拟。     

铁路车辆/轨道耦合系统在竖向冲击载荷作用下动态响应的计算机模拟研究

车辆与轨道的动态相互作用,是铁路轮轨接触式运输系统中最基本的问题之一,它直接制约着铁路运营速度的提高和运载重量的增加,也影响着铁路安全运行。本文采用有限元方法,对我国C61型运煤货车,按照车辆/轨道系统的实际几何形状、材料性质和边界条件建立了包括车辆和轨道系统的有限元模型,应用大型非线性动力分析程序LS-DYNA3D来模拟车辆通过轨道错牙接头时的轮/轨动态响应过程。计算结果表明车轮和轨道之间的竖向动态接触力大约是静轮载的2倍,与已有的现场试验结果基本吻合。因此应用有限元方法研究车辆/轨道耦合系统是可行和可靠的。     

基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.